摘要：本文介紹了采用臺達變頻器結合PLC與人機界面在中央空調(diào)水泵風機上應用過程，對中央空調(diào)水泵風機的變頻改造方案、變頻改造節(jié)能效果和變頻監(jiān)控系統(tǒng)作了詳細的描述，并給出了中央空調(diào)水泵風機的變頻改造原理圖、變頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構圖、人機界面畫面圖、系統(tǒng)控制方法和程序流程圖。
關鍵詞：變頻器 PLC 人機界面 RS-485串行通訊 中央空調(diào)

一、前言

　　我公司是一家主要生產(chǎn)乙肝疫苗的制藥公司,由凈化中央空調(diào)設備提供生產(chǎn)車間的潔凈環(huán)境,使生產(chǎn)車間各個房間的溫度、濕度和壓差等均能達到國家GMP規(guī)定的要求。因為季節(jié)的變化，晝夜的變化，這樣生產(chǎn)車間的各個房間對風量具有很明顯的需求變化，而水泵風機的風量、水流量的調(diào)節(jié)是靠風門、節(jié)流閥的手動調(diào)節(jié)。當風量、水流量的需求減少時，風門、閥的開度減少；當風量、水流量的需求增加時，風門、閥的開度增大。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，已成習慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費大量能源在風門、閥上作為代價的。而且該中央空調(diào)在正常工作時，大多數(shù)風門及閥的開度都在50%-60%，這說明現(xiàn)有中央空調(diào)水泵風機設計的容量要比實際需要高出很多，嚴重存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。近年來隨著電力、電子技術、計算機技術的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術越來越成熟，因此我們對公司的中央空調(diào)水泵風機加裝19臺變頻器進行了節(jié)能改造。又由于水泵風機分散性較大，為了減少值班人員的巡視工作強度，便于及時掌握水泵風機的工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障，我們通過PLC及人機界面與變頻器的通訊應用，在中央監(jiān)控室增裝變頻監(jiān)控系統(tǒng)，這樣值班人員就可在人機界面上直接設定頻率值與啟停各臺變頻器，能實時監(jiān)控水泵風機電機實際工作電流、電壓、頻率的大小，并具有報警等功能。

　　二、中央空調(diào)水泵風機變頻改造方案

　　1、改造前設備情況

　�。�1）、基因部空調(diào)設備情況

　�、僦评渲鳈C為日立機組，共三臺。②冷凍泵：11KW，2極 全壓啟動4臺，揚程30m，出水溫度6℃,回水溫度為10℃，出水壓力為0.35Mpa，每臺電機額定電流為21.8A，正常工作電流為16.6A。一般情況下,開二臺備二臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 4臺，揚程30m，出水溫度32.5℃,回水溫度為28.2℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為18.0A。一般情況下,開二臺備二臺。

　　（2）、老二樓空調(diào)機房空調(diào)設備情況

　�、僦评渲鳈C為日立機組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動3臺，揚程30m，出水溫度6.1℃,回水溫度為9.8℃，出水壓力為0.36Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為21A。一般情況下,開一臺備二臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 3臺，揚程30m，出水溫度31.8℃,回水溫度為27.7℃，出水壓力為0.41Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為20.6A。一般情況下,開一臺備二臺。

　　（3）、分包裝空調(diào)機房空調(diào)設備情況

　�、僦评渲鳈C為日立機組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動3臺，揚程30m，出水溫度5.8℃,回水溫度為9.3℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為20.2A。一般情況下,開二臺備一臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 3臺，揚程30m，出水溫度31.6℃,回水溫度為27.3℃，出水壓力為0.40Mpa，每臺電機額定電流為29.9A，正常工作電流為21.2A。一般情況下,開二臺備一臺。

　�。�4）、公司共有13臺空調(diào)風柜。①基因部空調(diào)風柜7臺，其中22KW風機電機3臺，11KW風機電機2臺，15KW和18.5KW風機電機各1臺。②老二樓空調(diào)風柜3臺，其中15KW風機電機2臺，11KW風機電機1臺。③質(zhì)檢部空調(diào)風柜3臺，其中11KW風機電機2臺，7.5KW風機電機1臺。

　　2、水泵變頻改造方案

　　因為冷凍泵和冷卻泵進出水溫差都小于5℃，這說明冷凍水流量和冷卻水流量還有余量，再加之，電機正常工作電流小于額定電流(5-12A)，明顯存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。因此，我們對基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)各自使用一臺臺達VFD-P11KW變頻器和一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅(qū)動（如圖一所示）。根據(jù)需要由PLC1分別控制3臺冷凍水泵和3臺冷卻水泵輪流切換工作（但同一時刻一臺變頻器只能驅(qū)動一臺水泵電機運轉(zhuǎn)），使冷凍水量和冷卻水量得到靈活、方便、適時、適量的自動控制，以滿足生產(chǎn)工藝的需求。同樣對老二樓空調(diào)機房及分包裝空調(diào)機房的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)也各使用一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅(qū)動，其控制方式與基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)控制方式相同。下面以基因部冷凍水系統(tǒng)加以說明：

　　（1）、閉環(huán)控制

　　基因部冷凍水系統(tǒng)采用全閉環(huán)自動溫差控制。采用一臺11KW變頻器實施一拖三。具體方法是：先將中央空調(diào)水泵系統(tǒng)所有的風閥門完全打開，在保證冷凍機組冷凍水量和壓力所需前提下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最低工作頻率（調(diào)試時確定為35HZ），將其設定為下限頻率并鎖定。用兩支溫度傳感器采集冷凍水主管道上的出水溫度和回水溫度，傳送兩者的溫差信號至溫差控制器，通過PID2調(diào)節(jié)將溫差量變?yōu)槟�擬量反饋給變頻器，當溫差小于等于設定值5℃時，冷凍水流量可適當減少，這時變頻器VVVF2降頻運行，電機轉(zhuǎn)速減慢；當溫差大于設定值5℃時，這時變頻器VVVF2升頻運行，電機轉(zhuǎn)速加快，水流量增加。冷凍泵的工作臺數(shù)和增減由PLC1控制。這樣就能夠根據(jù)系統(tǒng)實時需要，提供合適的流量，不會造成電能的浪費。

　　（2）、開環(huán)控制

　　將控制屏上的轉(zhuǎn)換開關撥至開環(huán)位置，順時針旋動電位器來改變冷凍水泵電機的轉(zhuǎn)速快慢。

　�。�3）、工頻/變頻切換工作

　　在系統(tǒng)自動工作狀態(tài)下，當變頻器發(fā)生故障時，由PLC1控制另一臺備用水泵電機投入工頻運行，同時發(fā)出聲光報警，提醒值班人員及時發(fā)現(xiàn)和處理故障。也可將控制柜面板上的手動/自動轉(zhuǎn)換開關撥至手動位置,廠房降溫負壓風機，按下相應的起動按鈕來啟動相應的水泵電機。

圖一 中央空調(diào)水泵變頻改造原理圖

　　3、風機變頻改造方案

　　因為所有風柜的風機均處于全開、正常負荷運行狀態(tài)，恒溫調(diào)節(jié)時，是由冷風出風閥來調(diào)節(jié)風量。如果生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度偏高，則風閥開大，加大冷風量，使生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度降低。如果生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度偏低，則需關閉一部分風閥開度，減少冷風量，來維持生產(chǎn)車間房間的冷熱平衡。因此，送入生產(chǎn)車間內(nèi)部的風量是可調(diào)節(jié)的、變化的。特別是到了夜班時，人員很少，且很少出入、走動等活動，系統(tǒng)負荷很輕，對空調(diào)冷量的要求也大大降低，只需少量的冷風量就能維持生產(chǎn)車間降溫房間的正壓與冷量的需求了，故對13臺風機全部進行了變頻節(jié)能改造，利用變頻器來對風量進行調(diào)節(jié)。

　　中央空調(diào)風機變頻改造原理圖如圖二所示，在原有工頻控制的基礎上，增加7個變頻控制柜，采用13臺臺達VFD-P系列變頻器驅(qū)動13臺風機電機，變頻/工頻可以相互切換。在工頻方式下運行時，不改變原來的操作方式，在變頻方式下運行時，變頻器在不同的時間段自動輸出不同的頻率。即13臺變頻器受時控開關的程序控制，在周一至周五的7：30-23：00設定變頻器在45HZ下運行，在周一至周五的23：00后至第二天的7：30及周六、周日設定變頻器在35HZ下運行（其運行的頻率可根據(jù)需要來設定），以改變風機的轉(zhuǎn)速，同時13臺變頻器與中央監(jiān)控室的人機界面和PLC實行聯(lián)機通訊，可以實現(xiàn)遠程人機監(jiān)控。

圖二 中央空調(diào)風機變頻改造原理圖

　　三、中央空調(diào)水泵風機變頻節(jié)能改造效果

　　為了能直觀體現(xiàn)變頻改造后的節(jié)能效果，我們做了如下的測試：以1#日立機組冷卻水泵14#（15KW）和K4風柜4#（22KW）為對象，在它們各自的主回路上加裝電度表，先工頻運行一星期，每天定時記錄電表讀數(shù)，再變頻運行一星期，進行同樣的工作，其數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

　　表1：1#日立機組冷卻水泵節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計

　　1、表1的數(shù)據(jù)分析：在工頻運行時，水泵的負荷變化不是很大，其日用電量在298度左右。變頻運行時，由于受外界的環(huán)境溫度影響較大，故每天的用電量差別較大，但可以看出，變頻運行時的日用電量明顯要小于工頻時的數(shù)值。我們以一個星期的總用電量來計算，工頻時為2580-891=1689，變頻時為5248-4121=1127，則1#日立機組冷卻水泵的節(jié)電率為：（1689-1127）/1689=33%

　　2、表2的數(shù)據(jù)分析：由于風機每天的負荷變化不大，故其用電量比較穩(wěn)定�？梢钥闯�，工頻運行時日用電量在350度左右,浙江車間通風。變頻運行時，日用電量在220度左右。以350和220來計算，則K4風柜電機的節(jié)電率為：（350-220）/350 = 37%

　　由上述計算可知：水泵和風機變頻改造后平均節(jié)能率為35%，在實際使用中，節(jié)電效果會更好。

　　表2：K4風柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計

　　四、中央空調(diào)水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　1、 系統(tǒng)硬件組成

　　中央空調(diào)水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構圖如圖三所示，它由公司自來水恒壓泵、分包裝部二樓冷凍泵、質(zhì)檢部老二樓空調(diào)機房水泵風機和基因部水泵風機四個子系統(tǒng)組成，對分布在不同部門的19臺變頻器實施遠程監(jiān)控。各部分說明如下：①、變頻器選用臺達VFD-P系列變頻器，該系列變頻器具有高可靠性，低噪聲，高節(jié)能，保護功能完善，內(nèi)建功能強大的RS-485串行通訊接口，且RS-485串行通訊協(xié)議對用戶公開等特點。②、PLC作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制核心，選用臺達DVP24ES01R。利用其通訊指令編好程序，下載到PLC，然后將它與變頻器的RS-485串行通訊接口相連接，就可實現(xiàn)與變頻器的實時通訊。③、人機界面采用Hitech公司的PWS-3760，彩色10.4寸。它是新一代高科技可編程終端，專為PLC而設計的互動式工作站，具備與各品牌PLC連線監(jiān)控能力，適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應用，可代替普通或工控計算機。其主要特點有：畫面容量大，可達255個畫面，畫面規(guī)劃簡單；使用ADP3全中文操作軟件，適用于WINDOWS95/WINDOWS98環(huán)境，巨集指令豐富，編程簡單；具有交互性好，抗干擾能力強，通訊可靠性高；自動化程度高，操作簡單方便，故障率低，壽命長，維修量少。其主要功能有：設計者可依需要編輯出各種畫面，實時顯示設備狀態(tài)或系統(tǒng)的操作指示信息；人機界面上的觸摸按鍵可產(chǎn)生相應的開關信號，或輸入數(shù)值、字符給PLC進行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應的動作控制設備的運行；可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示文字、數(shù)字、圖形、字符串、警報信息、動作流程、統(tǒng)計資料、歷史記錄、趨勢圖、簡易報表等。④、RS-485串行通訊方式：RS-485采用平衡發(fā)送接收方式，它具有傳輸距離長、抗干擾能力強和多站能力的優(yōu)點。

圖三 變頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構圖

　　2、人機界面畫面設計

　　本系統(tǒng)人機界面所有畫面均由ADP3全中文軟件進行設計，有主畫面、參數(shù)設定、運轉(zhuǎn)設定、參數(shù)顯示、狀態(tài)信息、報警信息和幫助等畫面，經(jīng)ADP3軟件編譯無誤后，從個人電腦中下載到人機界面即可使用。人機界面與PLC之間通過RS232通訊電纜以主從方式進行連接。由PLC對人機界面的狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進行讀寫達到兩者之間的信息交互。PLC讀人機界面狀態(tài)通知區(qū)中的數(shù)據(jù)，得到當前畫面號，而通過寫人機界面狀態(tài)控制區(qū)的數(shù)據(jù)，強制切換畫面。參數(shù)顯示畫面之一如圖四所示。

圖四 基因部中央空調(diào)風機水泵1#監(jiān)控畫面

　　用戶需要監(jiān)視19臺水泵風機的電壓、電流以及頻率的大小。因此為它們分別設置三組數(shù)值顯示區(qū)，分別顯示電壓、電流與頻率值，這是利用元件中的數(shù)值顯示功能實現(xiàn)的。系統(tǒng)啟動后，19臺變頻器周期性地向PLC回復其工作狀態(tài)，經(jīng)PLC處理后送人機界面，這樣人機界面就可以實時顯示這三組數(shù)值。數(shù)值的格式、位數(shù)和精度等根據(jù)實際情況在數(shù)值顯示的屬性框中設置。

　　3、系統(tǒng)控制方法

　　本系統(tǒng)要求對分布在不同部門、距離較遠的19臺變頻器實施遠程監(jiān)控，能在中央監(jiān)控室的人機界面上自動/手動設定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器，可實時監(jiān)測到中央空調(diào)水泵風機電機實際工作電壓、電流、頻率的大小，并具有聲光報警等功能。具體控制方法是：采用一臺DVP-PLC、一臺人機界面PWS-3760和19臺VFD-P系列變頻器通過RS-485串行通訊方式組成一個實時通信網(wǎng)絡（如圖三所示）,在現(xiàn)場設定好19臺變頻器的通信參數(shù)，如控制方式為RS-485通訊指令，通訊地址：1-19，波特率為9600，通訊資料格式等；設計系統(tǒng)PLC程序，程序流程圖如圖五所示。要求手動控制有即時設定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器等功能，自動控制采用二個時段控制，可以隨時設定二個時段值和對應的二個頻率值，現(xiàn)使用時段值一：7：30對應頻率一 45HZ，時段值二：23：00對應頻率二 35HZ。程序設計參照VFD-P變頻器通訊協(xié)議，采用PLC與變頻器間的一些RS-485通訊指令實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，還可通過打印機實現(xiàn)報表的打印。

　　控制系統(tǒng)作為風電機組中最關鍵的核心零部件，目前仍是國內(nèi)風電設備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)目前唯一沒有實現(xiàn)批量國產(chǎn)化的部件。

　　我國風電行業(yè)目前的形勢
　　
　　2005 年以來，我國風電總裝機容量的 10% 左右，這是一個相當驚人的增長。目前，從裝機容量來看，我國已成為亞洲第一、世界第四、風電風電裝機以年均 100% 的速度快速發(fā)展，到 2008 年底，我國風電總裝機容量達到了 1215 萬 KW，占世界裝機容量超 1000 萬 KW 的風電大國。排在前三位的依次是美國、德國和西班牙，其裝機容量分別為 2517 萬、2390 萬和 1675 萬 KW。
　　
　　需求的快速增長也帶動了我國風電設備制造業(yè)的快速發(fā)展。
　　
　　2004 年，我國風電制造業(yè)技術水平和生產(chǎn)規(guī)模的提高。憂的是這 70 余家風機風電市場上占據(jù)絕對主導地位。至于這些整機制造廠家?guī)�動的零部件生產(chǎn)企業(yè)究竟有多少，更是一個無法準確統(tǒng)計的數(shù)字。這些風機風機整機制造的前期準備工作，呈現(xiàn)出“你未唱罷我登場，百家風企競風流”這樣一個喜憂參半的格局。喜的是經(jīng)過這些年的發(fā)展，內(nèi)資和合資企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大、技術能力不斷增強、市場占有率上升很快。2004 年，內(nèi)（合）資企業(yè)和外資企業(yè)占當年風電風機整機制造企業(yè)僅 6 家，目前明確進入風機整機制造的企業(yè)已超過 70 家，另外還有一些公司正在開展進入新增裝機的比例分別為 25% 和 75%，而到 2008 年這一比例正好顛倒了過來，內(nèi)（合）資企業(yè)已經(jīng)在整機制造企業(yè)及零部件企業(yè)的發(fā)展壯大，有力地促進了我國企業(yè)的技術水平、生產(chǎn)規(guī)模、服務能力參差不齊，真正形成規(guī)模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家，大多數(shù)企業(yè)對于未來面臨的巨大風險都估計不足，這是我國目前風電設備制造業(yè)存在的一個突出問題。
　　
　　從未來的發(fā)展形勢來看，風電裝機容量將達到 1.4 億 KW 這樣的水平，這是十分可觀的數(shù)字。這表明，從宏觀形勢來看，風電風電裝機容量占我國電力風電產(chǎn)業(yè)至少將有十多年的黃金發(fā)展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家為解決能源短缺和環(huán)境污染問題，都將大規(guī)模發(fā)展風力發(fā)電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008 年底，1215 萬 KW 的總裝機容量的比例還僅為 1.5%，預計到 2020 年這一比例將達到 10% 左右，即到 2020 年行業(yè)大發(fā)展的高潮確實已經(jīng)到來。

　　風機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　風機的控制系統(tǒng)是風機的重要組成部分，它承擔著風機監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下： 監(jiān)控系統(tǒng)（ SCADA）：監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全風場風機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡。 主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風機控制系統(tǒng)的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器），它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風能捕獲以及恒速運行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。
　　
　　變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風能捕獲以及恒速運行，提高了風力發(fā)電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術路線及傳統(tǒng)。
　　
　　變頻系統(tǒng)（變頻）器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接，直接承擔著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標準等重要作用。